Дисперсные системы

Лекция 7

Растворы играют большую роль в природе, повседнев­ной жизни, промышленности, сельском хозяйстве, меди­цине, фармации, в научной деятельности человека.

Все природные воды являются растворами. Из при­родных водных растворов образовались некоторые гор­ные породы.

Растения усваивают из почвы необходимые для их произрастания питательные вещества в виде растворов. Поэтому для получения высоких урожаев необходимо поступление воды в почву. В виде водных растворов в сельском хозяйстве используются некоторые удобрения и средства для борьбы с вредителями растений.

Многие медицинские препараты являются растворами различных химических веществ в воде или спирте. Дисперсные системы - это такие системы, в которых одно вещество равномерно распределено в виде частиц в другом веществе. В таких системах различают диспер­сионную среду и дисперсную фазу (раздробленное в дис­персионной среде вещество).

Важнейшей характеристикой дисперсных систем яв­ляется степень дисперсности, т.е. средний размер час­тиц дисперсной фазы. По степени дисперсности дисперс­ные системы делятся на:

а) грубодисперсные (средний диаметр частиц более100 нм);

б) тонко (высоко) дисперсные, или коллоидные систе­мы (диаметр частиц от 1 до 100 нм);

в) истинные растворы (диаметр частиц менее 1нм).

От степени дисперсности зависят свойства дисперсных систем, в частности, их устойчивость. Грубодисперсные системы являются неустойчивыми и со временем разде­ляются на дисперсную фазу и дисперсионную среду. Кол­лоидные системы значительно более устойчивы.

В зависимости от агрегатного состояния дисперсион­ной среды и дисперсной фазы выделяют следующие основные виды дисперсных систем:

Коллоидные растворы — это высокодисперсные двух­фазные системы, состоящие из дисперсионной среды и дис­персной фазы размер частиц последней от 1 до 100 нм. Коллоидные растворы по размерам частиц явля­ются промежуточными между истинными растворами и суспензиями и эмульсиями. Коллоидные частицы обыч­но состоят из большого числа молекул или ионов.

Коллоидные раствору иначе называют золями.

Золи обладают рядом специфических свойств, кото­рые подробно изучает коллоидная химия. Так, золи в за­висимости от размеров частиц могут иметь различную ок­раску, а у истинных растворов она одинаковая. Напри­мер, золи золота могут быть синими, фиолетовыми, виш­невыми, рубиново-красными.

В отличие от истинных растворов для золей характе­рен эффект Тиндаля, т.е. рассеяние света мелкими час­тицами. При пропускании через золь пучка света появ­ляется светлый конус, видимый в затемненном помеще­нии (рис.). Так можно распознать является данный ра­створ коллоидным или истинным.

Основываясь на различной величине частиц коллоид­ных и истинных растворов, можно разделить их смесь. Для этого подбирают пористую перепонку (пергаментную бумагу, животный пузырь и др.) с такими мелкими пора­ми, через которые коллоидные частицы пройти не могут, а проходят только молекулы и ионы. Такой способ освобождения золя от частиц истинного раствора называется диализом.

Рис. Прохождение луча света через коллоидный раствор

Коллоидные частицы называются мицеллами. Строение коллоидных частиц очень сложное. Строение мицеллы рассмотрим на примере образова­ния коллоидного раствора йодида серебра, получаемого при взаимодействии очень разбавленных растворов нит­рата серебра и йодида калия:

AgNO₃ + KI_изб = AgI↓ + KNO₃

{[(AgI]_m xI^- (z-x)K⁺]^y- yK⁺}

ядро потенциал противоионы

опред. диффузного слоя

ионы

{[(AgCl]_n xI^- (z-x)K⁺]^y- yK⁺}

мицелла

Нерастворимые молекулы йодида серебра образуют ядро коллоидной частицы. Вещество ядра, имеющее кри­сталлическую или аморфную структуру, нерастворимо в дисперсионной среде и состоит из нескольких тысяч ней­тральных молекул или атомов. В рассматриваемом при­мере ядро - микрокристаллик йодида серебра, состоя­щий из большого числа m молекул Agl. Полученное ядро адсорбирует на своей поверхности те или иные ионы, имеющиеся в растворе. Обычно адсорби­руются те ионы, которые входят в состав ядра, т.е. в данном случае ионы серебра или ионы йода. Если колло­идный раствор получают при избытке йодида калия, то адсорбируются ионы йода. Они достраивают кристалли­ческую решетку ядра, прочно входят в его структуру, об­разуя адсорбционной слой, и придают ядру отрицатель­ный заряд: m[AgI]хI^-. Ионы, адсорбирующиеся на повер­хности ядра и придающие ему соответствующий заряд, называются потенциалопределяющими ионами. В ра­створе находятся также и ионы, противоположные по знаку потенциалопределяющим ионам, их называют противоионами. В нашем примере противоионами являют­ся катионы К⁺, которые электростатически притягива­ются потенциалопределяющими ионами адсорбционного слоя. Часть противоионов К⁺ входит в адсорбционный слой. Ядро с адсорбционным слоем называется гранулой. Оставшаяся часть противоионов образует диффузионный слой ионов. Ядро с адсорбционным и диффузионным слоем представлет собой мицеллу.

Наличие одноименного заряда у всех гранул данного коллоидного раствора (золя) является важным фактором его усойчивости. Заряд препятствует слипанию и укрупнению коллоидных частиц. На основании выше сказанного можно сделать выводы, что коллоидные растворы обладают:

1)способностью отражать свет (эффект Тиндаля)

2) способностью к коагуляции (слипанию частиц)

3)агрегативной устойчивостью за счет электрокинетического потенциала на поверхности коллоидных частиц.

При добавлении к золям электролитов происходит уменьшение зарядов гранул, что приводит к слипанию частиц. Соединение коллоидных частиц в более крупные агрегаты называется коагуляцией. В результате коагу­ляции частицы могут или выпасть в осадок под влияни­ем силы тяжести (этот процесс называется седиментаци­ей), или образовать полутвердую упругую массу (гель, или студень).

Обычно коагуляцию проводят прибавлением к золю:

1) электролита;

2) другого золя, частицы которого имеют противоположный заряд;

3) нагреванием.

Чаще всего золи коагулируют прибавлением электро­лита. В этом случае заряды коллоидных частиц нейтра­лизуются ионами электролита. Причем золи, содержащие положительно заряженные частицы, коагулируют под действием анионов, а золи, содержащие отрицательно заряженные частицы,— под действием катионов.

При смешении в определенных соотношениях двух золей, частицы которых несут противоположные заряды, например Fe(OH)₃ (частицы заряжены положительно) и As₂S₃ (частицы заряжены отрицательно), заряды частиц нейтрализуются, происходит взаимная коагуляция.

Нагревание уменьшает адсорбцию ионов коллоидны­ми частицами (уменьшает их заряд), что способствует коагуляции.

Коагуляции препятствуют так называемые защитные коллоиды (крахмал, желатин и некоторые другие высо­комолекулярные органические соединения).

Процесс, обратный коагуляции, называется пептизацией. Он наблюдается при промывании осадков водой. При этом ионы электролита-коагулянта вымывают­ся, частицы осадка снова приобретают заряды и перехо­дят в состояние золя. Пептизации легко подвергаются осадки сульфидов.

Различают лиофильные коллоидные системы, в которых частицы взаимодействуют с растворителем (желатин, яичный белок, мыла) и лиофобные, в которых отсутствует взаимодействие частиц с растворителем (сульфиды тяжелых металлов).

Коллоидные растворы широко применяются в различ­ных технологических процессах: в мыловаренной, бумаж­ной, текстильной промышленности, фармацевтическом производстве.

Дата добавления: 2014-01-07